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高亮度LED的技术瓶颈



高亮度LED虽然具备了更省电、使用寿命更长及反应时间更快等优点,但仍得面对静电释放(ESD)损害和热膨胀系数(TCE)等效能瓶颈;本文将提出一套采次黏着基台(Submount)的进阶封装方式,以有效发挥LED的照明效益。

高亮度LED(High-brightness Light Emitting Diodes;HB LED)的出现,在照明产业中掀起了一股狂潮。相较于传统的白热灯泡,HB LED因具备了更省电、使用寿命更长及反应时间更快等主要优点,因此很快的抢占了LCD背光板、交通号志、汽车照明和招牌等多个市场。

HB LED的主导性生产技术是InGaN,但此技术仍有一些瓶颈需要克服,目前掌握前瞻技术的业者纷纷针对这些瓶颈提出新的解决方案,希望能进一步拓展HB LED的市场。这些瓶颈中以静电释放(electrostatic discharge;ESD)敏感性和热膨胀系数(thermal coefficient of expansion ;TCE)为两大议题,其困难如下所述:

  热处理(Thermal Management)

  相较于LED 晶粒(die)的高效能特性,目前多数的封装方式很明显地无法满足今时与未来的应用需求。对于HB LED的封装厂商来说,一个主要的挑战来自于热处理议题。这是因为在高热下,晶格会产生振动,进而造成结构上的改变(如回馈回路变成正向的),这将降低发 光度,甚至令LED无法使用,也会对交错连结的封入聚合体(encapsulating polymers)造成影响。

  仅管一些测试显示,在晶粒(die)的型式下, 即使电流高到130mA仍能正常工作;但采用一般的封装后,LED只能在20mA的条件下发光。这是因为当芯片是以高电流来驱动时,所产生的高热会造成铜 导线框(lead-frame)从原先封装好的位置迁移。因此在芯片与导线框间存在着TCE的不协调性,这种不协调性是对LED可靠性的一大威胁。

  静电释放(ESD)

  对电子设备的静电损害 (Electrostatic damage;ESD)可能发生在从制造到使用过程中的任何时候。如果不能妥善地控制处理ESD的问题,很可能会造成系统环境的失控,进而对电子设备造成 损害。InGaN 晶粒一般被视为是"Class 1"的设备,达到30kV的静电干扰电荷其实很容易发生。在对照试验中,10V的放电就能破坏Class 1 对ESD极敏感的设备。研究显示ESD对电子产品及相关设备的损害每年估计高达50亿美元,至于因ESD受损的LED则可能有变暗、报销、短路,及低Vf (forward voltage)或 Vr(reverse voltage)等现象。

以Submount技术突破瓶颈

为了突破这些InGaN LED瓶颈,CAMD公司提出一项特殊的解决方式。采用与医学用生命支持设备相同的技术,CAMD发展出一种硅载体(Silicon Carrier)或次黏着基台(Submount),以做为InGaN芯片与导线框之间的内部固着介质;当透过齐纳二极管(Zener Diodes)来提供ESD保护的同时,这种Submount设计也能降低TCE不协调性的冲击。

一个基本硅材质Submount如 何将两个焊球与覆晶LED接合在一起的情况,在球体区域所见到的不同颜色圆圈是用来保护LED免受ESD损害的二极管架构。此架构除了能安全的抵销高达 30kV的接触放电,更超过IEC61000-4-2国际标准对最大值的要求。硅材质与焊球扮演着振动吸收器,以疏缓热膨胀效应。

这样做还有一些明显的好处:以Submount粘着焊球,可以使LED晶粒紧密地与Submount接合在一起,再经由打线连接到导线框。这种方式能降低因直接打线到LED晶粒所产生的遮光影响。

Submount两边都有绿色的矩 形区域,这是打线的区域。此外,因为Submount是一个光滑的硅表面,其上是铝金属层,因此能将一般损失掉的光度有效的反射出去。图一中的覆盖了大部 分Submount的蓝色区域,即是高反射性的铝金属层,它的作用犹如LED的一面反射镜。

在LED的背面一般以金覆盖,以提供最佳化的热传导,以及芯片与导线框、铜散热器的高度接合度。

此一解决方案的完整封装结构,其中 LED晶粒与Submount上头的焊球接合,此一次组合被镶嵌在整个LED 封装中;Submount再打线到导线框,以供电给LED。这个硅Submount只有10-mils的厚度,这样才能发挥最大的热传导效能,让LED的 高热很快地经由此封装设计传到散热器上头。

结论

HB LED已开始取代消费性及工业应用的传统照明解决方案,但要让LED发挥最大照度,仍得克服一些瓶颈,例如在高热下,封装晶格会振动甚至迁移,以及因 ESD的损害而让LED有变暗、报销及短路等现象。本文所提到的Submount封装技术,可以有效的解决LED发光、散热及导电等问题,并能提供ESD 保护,是一个值得推广的解决方案。


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